(57)【要約】【課題】  半導体集積回路装置の製造において、二酸化ケイ素系材料層の被研磨面を研磨する場合の研磨速度のパターン依存性が少なく、凹部の研磨を抑制しながら凸部を優先的に研磨でき、極めて少ない研磨量で被研磨面を高平坦化することが可能な技術を提供する。【解決手段】  半導体集積回路装置の製造において、被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面である場合に、被研磨面を研磨するための化学的機械的研磨剤として、酸化セリウム粒子、水ならびにグルコン酸および／またはグルコヘプトン酸を含有する研磨剤を使用する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路装置の製造において被研磨面を研磨するための化学的機械的研磨用研磨剤であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、
当該研磨剤が、酸化セリウム粒子、水ならびに、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸を含有し、かつ、ｐＨが４〜６である研磨剤。
【請求項２】
前記二酸化ケイ素系材料層が、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）層、ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）層またはリンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）層である、請求項１に記載の研磨剤。
【請求項３】
前記二酸化ケイ素系材料中のリンの濃度、ホウ素の濃度またはリンとホウ素を含有する場合はそれら合計の濃度がそれぞれ０．１〜３０質量％の範囲にある、請求項２に記載の研磨剤。
【請求項４】
前記二酸化ケイ素系材料層が二酸化ケイ素層である、請求項１に記載の研磨剤。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の研磨剤を製造する方法において、グルコノ−１，５−ラクトンおよびグルコヘプトノ−１，４−ラクトンからなる群より選ばれる１種以上のラクトンを水に添加することを含む研磨剤製造方法。
【請求項６】
前記研磨剤の全質量に対し、前記ラクトンを０．０１〜２０質量％の範囲で添加する、請求項５に記載の研磨剤製造方法。
【請求項７】
前記研磨剤の全質量に対し、前記ラクトンを０．１〜１０質量％の範囲で添加する、請求項６に記載の研磨剤製造方法。
【請求項８】
研磨剤を研磨パッドに供給し、半導体集積回路装置の被研磨面と研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する被研磨面の研磨方法であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、当該研磨剤として請求項１〜４のいずれかに記載の研磨剤を使用する研磨方法。
【請求項９】
研磨剤を研磨パッドに供給し、半導体集積回路装置の被研磨面と研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する被研磨面の研磨方法であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、当該研磨剤として、請求項５〜７のいずれかに記載の方法で製造された研磨剤を使用する研磨方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の研磨方法により、被研磨面を研磨する工程を有する、半導体集積回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路装置の製造工程に用いられる研磨技術に関する。より詳しくは、二酸化ケイ素系材料層を含む半導体集積回路装置の製造工程に用いられる研磨技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化・高機能化にともない、微細化・高密度化のための微細加工技術の開発が求められている。特に、化学的機械的研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下ＣＭＰという）による平坦化技術の重要性が高まっている。たとえば、半導体集積回路装置の微細化や配線の多層化が進むにつれ、製造工程における各層での表面の凹凸（段差）が大きくなりやすいが、この段差がフォトリソグラフィの焦点深度を越え、十分な解像度が得られなくなるという問題を防ぐために、ＣＭＰは不可欠の技術となっている。
【０００３】
ＣＭＰは、具体的には、層間絶縁膜（ＩＬＤ：Ｉｎｔｅｒ−Ｌｅｖｅｌ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）の平坦化、シャロートレンチ分離ＳＴＩ：Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）、タングステンプラグ形成、銅と低誘電率膜からなる多層配線形成工程などで用いられている。また最近では、従来は熱処理によるリフロー法が用いられていたメタル配線形成前に行う絶縁膜（ＰＭＤ：Ｐｒｅ−Ｍｅｔａｌ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）の平坦化にも適用され始めている。
【０００４】
ＩＬＤ、ＳＴＩやＰＭＤ等の絶縁膜には二酸化ケイ素系のものが使用されることが多い。従来、半導体装置の製造工程において、このような二酸化ケイ素系の平坦化を行う際には、ＣＭＰ用研磨剤に用いられる砥粒としてシリカ砥粒が一般的であった。
【０００５】
しかしながら、このシリカ砥粒については、二酸化ケイ素系膜の研磨速度は充分だが、半導体集積回路装置の研磨対象となる膜（以下、被研磨膜ともいう）の表面が表面凹凸のパターン密度（凸部パターン部分と凹部との和に対する凸部パターン部分の割合：たとえばストライプ上の凸部パターンの場合は、パターン幅とパターン間隔との和に対するパターン幅の割合）および凸部パターンサイズの大小により、凸部の研磨速度のパターン依存性が大きいこと、更に凸部パターンの低密度部および大きなサイズの凹部の研磨が進行しやすいことといった特性のため、高平坦化を実現することが困難であるという技術的課題があった。本明細書では、このように研磨速度が、表面凹凸のパターン密度やパターンサイズに影響されることを、研磨速度にパターン依存性があるという。
【０００６】
また、シリカ砥粒を用いた二酸化ケイ素膜の平坦化では、平坦化までに必要な研磨量が大きいため、被研磨膜を過剰な膜厚で成膜する必要がある場合が多く、半導体集積回路装置製造における成膜コスト上昇とスループット低下の問題をもたらしていた。たとえば、ＰＭＤ工程では硬度の低いホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）、ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）、リンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）等が用いられており、これらの膜の研磨速度が他の材料に比べ非常に大きいため、あらかじめ過剰な膜厚で成膜し、これを研磨することで平坦化の実現に努めている。
【０００７】
この様子を図３を用いて例示的に説明する。図３の（ａ）は、シリコン基板１上に二酸化ケイ素膜２、ポリシリコン膜３およびＢＰＳＧ膜４を積層し、ポリシリコン膜３の影響でＢＰＳＧ膜４の表面に凸部５と凹部６とが生じた様子を示す半導体集積回路装置の部分的横断面図である。これは研磨前の状態である。
【０００８】
このような構成においてＢＰＳＧ膜を研磨する場合、ＢＰＳＧ膜は、凸部に比べ凹部の研磨も進行し易く、その結果、面の平坦化を実現し難く、図３（ｂ）のようになることが多い。そこで現状では、ＢＰＳＧ膜４の膜厚を大きく取り、これを研磨することで凹凸の低減に努めているのである。
【０００９】
このように、二酸化ケイ素系材料層を含む半導体集積回路装置、特に、一般的に他の材料に比較して研磨速度の大きいＢＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜およびＰＳＧ膜のいずれかを含む半導体集積回路装置には、被研磨面の平坦化が難しいといった問題点があった。
【００１０】
ＣＭＰ用研磨剤に使用される砥粒として、近年、酸化セリウム粒子を砥粒として用いたＣＭＰ用研磨剤が検討されている。酸化セリウム研磨剤は、層表面でのＳｉＯとの化学反応により、高い研磨速度を持ち、半導体装置の製造工程において、スループット向上が期待されており、この酸化セリウム研磨剤に、界面活性剤や水溶性ポリマー、水溶性低分子化合物等を添加し、酸化セリウム研磨剤の分散性向上と被研磨面の平坦性を向上させる技術が開発されつつある。
【００１１】
特許文献１では、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＦ、ホウ素リンケイ酸ガラス、およびリンケイ酸ガラスなどの絶縁膜の平坦化に適する添加剤として、カルボキシ基またはカルボキシ基の塩からなる親水基を有する有機化合物が提案されている。
【００１２】
また、特許文献２では、カチオン性を示し、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミンまたは第４級アンモニウムである水溶性有機低分子から選ばれる低分子添加剤が提案され、ＩＬＤ膜やＳＴＩ用の絶縁膜を平坦化するＣＭＰ技術において、研磨を高効率的で高速にかつプロセス管理上も容易に行うことができると言われている。
【００１３】
また、特許文献３では、水溶性含窒素化合物と水溶性アニオン性有機化合物とからなる２種類以上の添加剤を含むことが提案されており、この研磨剤は被研磨面を傷なく高速に高平坦化でき、保存安定性に優れ、プロセス管理の容易な、ＩＬＤ膜、ＳＴＩ用絶縁膜等の研磨に適したＣＭＰ用研磨剤であると言われている。水溶性含窒素化合物は、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン、第４級アンモニウム、ポリビニルピロリドン、Ｎ−アルキル−２−ピロリドン、脂肪族ラクタムおよび脂肪族ジカルボン酸イミドであり、水溶性アニオン性有機化合物は、遊離の−ＣＯＯＭ基、フェノール性−ＯＨ基、−ＳＯ3Ｍ基、−Ｏ・ＳＯ3Ｍ基、−ＰＯ4Ｍ2基または−ＰＯ3Ｍ2基（ただし、Ｍは水素原子、ＮＨ4または金属原子）を有する化合物である。
【００１４】
ところが、これらの特許文献では二酸化ケイ素膜の研磨例が示されているのみで、平坦化が難しいＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜については例示がない。特許文献１の添加剤はアニオン型であるため、水中でマイナス帯電する二酸化ケイ素膜、ＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜には吸着せず、十分な被膜を形成できない。硬い二酸化ケイ素膜では平坦化が可能であっても、軟質のＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜では、実際には研磨速度が著しく大きく、パターン形成された半導体集積回路装置を平坦化することはできない。また、特許文献２はカチオン性の添加剤であるため、被膜形成は可能であるが、低分子添加剤であるため十分強固な被膜とはいえず、やはりＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜の半導体集積回路装置を平坦化することはできない。特許文献３は水溶性含窒素化合物と水溶性アニオン性有機化合物の２種類以上の添加剤を提案しているが、水溶性含窒素化合物は特許文献２の低分子添加剤と実質的に同等であり、やはりＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜の研磨速度が著しく大きく、半導体集積回路装置を平坦化することはできない。また、このＣＭＰ用研磨剤のｐＨは、安定性、選択研磨性、作業性、取り扱い性等の観点から、３〜９であることが好ましく、７．０〜９．０であることがより好ましいとしているが、このｐＨ領域ではＢＰＳＧ、ＢＳＧ，ＰＳＧ膜の研磨速度を効果的に制御することができないという問題点がある。
【特許文献１】特許第３２７８５３２号公報  （特許請求の範囲）
【特許文献２】特開２００１−７０６１号公報  （特許請求の範囲）
【特許文献３】特開２００１−１８５５１４号公報  （特許請求の範囲）
【特許文献４】特開平１１−１２５６１号公報  （段落番号００１１）
【特許文献５】特開２００１−３５８１８号公報  （段落番号００２０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記問題点を解決し、半導体集積回路装置の製造において二酸化ケイ素系材料層の被研磨面を研磨する際に研磨速度のパターン依存性が極めて小さく、凹部の研磨を抑制しながら凸部を優先的に研磨することにより、高平坦化を実現することのできる研磨剤および研磨方法を提供することを目的としている。本発明の更に他の目的および利点は以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の態様１は、半導体集積回路装置の製造において被研磨面を研磨するための化学的機械的研磨用研磨剤であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、当該研磨剤が、酸化セリウム粒子、水ならびに、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸を含有し、かつ、ｐＨが４〜６である研磨剤を提供する。
【００１７】
態様２は、前記二酸化ケイ素系材料層が、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）層、ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）層またはリンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）層である、前記態様１に記載の研磨剤を提供する。
【００１８】
態様３は、前記二酸化ケイ素系材料中のリンの濃度、ホウ素の濃度またはリンとホウ素を含有する場合はそれら合計の濃度がそれぞれ０．１〜３０質量％の範囲にある、前記態様２に記載の研磨剤を提供する。
【００１９】
態様４は、前記二酸化ケイ素系材料層が二酸化ケイ素層である、前記態様１に記載の研磨剤を提供する。
【００２０】
態様５は、前記態様１〜４に記載の研磨剤を製造する方法において、グルコノ−１，５−ラクトンおよびグルコヘプトノ−１，４−ラクトンからなる群より選ばれる１種以上のラクトンを水に添加することを含む研磨剤製造方法を提供する。
【００２１】
態様６は、前記研磨剤の全質量に対し、前記ラクトンを０．０１〜２０質量％の範囲で添加する、前記態様５に記載の研磨剤製造方法を提供する。
【００２２】
態様７は、前記研磨剤の全質量に対し、前記ラクトンを０．１〜１０質量％の範囲で添加する、前記態様６に記載の研磨剤製造方法を提供する。
【００２３】
態様８は、研磨剤を研磨パッドに供給し、半導体集積回路装置の被研磨面と研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する被研磨面の研磨方法であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、当該研磨剤として前記態様１〜４のいずれかに記載の研磨剤を使用する研磨方法を提供する。
【００２４】
態様９は、研磨剤を研磨パッドに供給し、半導体集積回路装置の被研磨面と研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する被研磨面の研磨方法であって、当該被研磨面が二酸化ケイ素系材料層の被研磨面であり、当該研磨剤として、前記態様５〜７のいずれかに記載の方法で製造された研磨剤を使用する研磨方法を提供する。
【００２５】
態様１０は、前記態様８または９に記載の研磨方法により、被研磨面を研磨する工程を有する、半導体集積回路装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、半導体集積回路装置の製造において二酸化ケイ素系材料層の被研磨面を研磨する場合の研磨速度のパターン依存性が少なく、凹部の研磨を抑制しながら凸部を優先的に研磨でき、極めて少ない研磨量で被研磨面を高平坦化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明の実施の形態を図、表、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、表、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得る。図中、同一の符合は同一の要素を表す。
【００２８】
本発明に適用される研磨剤は、半導体集積回路装置（以下、単に半導体デバイスとも言う）の被研磨面を研磨するためのＣＭＰ用研磨剤であって、酸化セリウム粒子、水ならびにグルコン酸および／またはグルコヘプトン酸を含有する。分散剤を共存させてもよい。なお、本発明において「被研磨面」とは、半導体デバイスを製造する過程で現れる中間段階の表面を意味する。
【００２９】
この研磨剤を使用すると、半導体デバイスが二酸化ケイ素系材料層を含む場合に、その製造工程において、二酸化ケイ素系材料層の被研磨面を研磨して、平坦な表面を有する層を容易に形成することができる。この二酸化ケイ素系材料層は、一つの半導体デバイスに二以上含まれていてもよい。
【００３０】
その様子を図１に例示する。図１の（ａ）は、図３の（ａ）と同様な構成を示す半導体デバイスの模式的側断面図である。このような場合に本発明に係る研磨剤を採用すると、二酸化ケイ素系材料層の研磨面を研磨する場合の研磨速度のパターン依存性が極めて小さいため、凹部の研磨の進行を抑制しながら凸部を優先的に研磨することにより、図１の（ｂ）に示すように、少ない研磨量で被研磨面の凹凸の高平坦化を実現できるようになる。すなわち、図３の（ａ）のＢＰＳＧ膜の膜厚と図１の（ａ）のＢＰＳＧ膜の膜厚とに模式的に示したように、少ない膜厚の研磨で被研磨面の凹凸の高平坦化を実現できるようになる。しかも研磨後の表面７は非常に平坦であり、かつ、残った膜厚を厚くすることも容易にできる。このようにして半導体デバイス製造における成膜コストの低減とスループットの改善が可能となる。このほか、本研磨剤は、砥粒の凝集が無いため、分散安定性にも優れ、研磨欠陥に対しても有利である。
【００３１】
本発明では、研磨剤中の研磨砥粒としては酸化セリウム粒子（酸化セリウム砥粒）を用いる。従来より、二酸化ケイ素系材料の研磨においては、酸化セリウム砥粒が特異的に大きい研磨速度を示すことが知られている。これは、酸化セリウムと被研磨面のＳｉＯとが接触することにより、両者に化学的な結合が生じ、単なる機械的作用以上の研削力を生じるためである。したがって、酸化セリウムを用いた研磨においては、研磨と研磨対象物との接触の制御が重要である。
【００３２】
本発明における酸化セリウム砥粒としては、たとえば特許文献４または特許文献５に開示される酸化セリウム砥粒を好ましく使用できる。すなわち、硝酸セリウム（ＩＶ）アンモニウム水溶液にアルカリを加えて水酸化セリウムゲルを作製し、濾過、洗浄、焼成して得た酸化セリウム粉末が好ましく使用できる。また、高純度の炭酸セリウムを粉砕後焼成し、さらに粉砕、分級して得られる酸化セリウム砥粒も好ましく使用できるが、特にこれらに限定されない。
【００３３】
酸化セリウム砥粒の平均粒径（平均二次粒径）は、研磨特性と分散安定性の面から、０．００５〜０．５μｍ、特に０．０２〜０．３μｍ、さらには０．０５〜０．２μｍが好ましい。平均粒径が大きすぎると、半導体基板表面にスクラッチなどの研磨キズが発生しやすくなるおそれがある。平均粒径が小さすぎると、研磨速度が低くなるおそれがある。また、単位体積あたりの表面積の割合が大きいため、表面状態の影響を受けやすい。ｐＨや添加剤濃度等の条件によっては凝集しやすくなる場合がある。凝集が起きると半導体基板表面にスクラッチなどのキズが発生しやすくなる。なお、本発明において、平均粒径は研磨剤中の凝集体の平均直径を指し、平均粒径の測定には、レーザー回折・散乱式、動的光散乱式、光子相関式などの粒度分布計を使用することができる。
【００３４】
本発明に係る二酸化ケイ素系材料とは、一般的に二酸化ケイ素に他の元素を含有する材料である。この場合における含有とは他の元素を均一に含んでいることを意味する。これらの場合における、「他の元素」としては任意の元素を使用することができる。たとえばホウ素、リン、炭素、窒素およびフッ素を挙げることができる。
【００３５】
本発明に係る二酸化ケイ素系材料は、ホウ素とリンの少なくともいずれか一方を含有する場合、その含有濃度により研磨速度が著しく異なるため、本発明の効果が発揮されやすい。リンの濃度、ホウ素の濃度またはリンとホウ素を含有する場合はそれら合計の濃度がそれぞれ０．１〜３０質量％の範囲にある場合に効果が大きい。リンまたはホウ素またはリンとホウ素を含有する二酸化ケイ素系材料は、ＳｉＯ−ＣＶＤ（化学的気相成長法）において、原料ガスにＳｉＨ4（シラン）、Ｏ2のほかにＢ2Ｈ6（ジボラン）、ＰＨ3（ホスフィン）等の無機ガスやＢ（ＯＣＨ3）3（トリメトキシボラン）、Ｐ（ＯＣＨ3）3（トリメトキシフォスフィン）等の有機ガスを同時に添加し、成膜することができる。
【００３６】
リンまたはホウ素またはリンとホウ素を含有する二酸化ケイ素系材料としてよく知られたものに、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）、ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）、リンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）があり、本発明はこれらの材料を使用した場合に効果が特に大きい。これは、酸化セリウム砥粒と被研磨面の表面への、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸の吸着効果によると考えられる。すなわち、この効果により、研磨圧力の低い凹部では、酸化セリウムと被研磨面中の酸化ケイ素との接触による化学反応が阻害されることで研磨の進行が抑制され、研磨圧力の高い凸部では、吸着しているグルコン酸および／またはグルコヘプトン酸が剥がれ易くなることで優先的に研磨が進行するため、被研磨面の高平坦化が可能になると考えられる。
【００３７】
なお、ＢＰＳＧとは、ケイ素とリンとホウ素と酸素とを主成分とするガラスである。リンとホウ素とは、それぞれ、０．１〜３０質量％の範囲（ただし、両者が共存する場合は、その合計が０．１〜３０質量％の範囲）で変更できる。ＢＳＧとは、ケイ素とホウ素と酸素を主成分とするガラスである。ホウ素は０．１〜３０質量％の範囲で変更できる。また、ＰＳＧとは、ケイ素とリンと酸素を主成分とするガラスである。リンは０．１〜３０質量％の範囲で変更できる。
【００３８】
なお、本発明に係る二酸化ケイ素系材料の範疇には、二酸化ケイ素そのものも含まれる。すなわち、本発明は、被研磨面が二酸化ケイ素層の面である場合にも有用である。この場合には、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸の濃度を低くするか研磨剤の全質量に対する酸化セリウムの濃度を高くすることで研磨可能である。
【００３９】
グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸は、二酸化ケイ素系材料層の研磨速度の抑制に効果が大きい。特に、二酸化ケイ素系材料がリンまたはホウ素またはリンとホウ素を含有する場合にその研磨速度の抑制に効果が大きい。これらの絶縁膜は硬度が低いため、一般的なシリカ砥粒の研磨剤や、従来の酸化セリウム砥粒を使用した研磨剤では、研磨速度が著しく大きく、パターン依存性が大きく、凹部の研磨進行が速いため、大きな研磨量を必要としかつ高平坦性を十分実現できない。これに対し、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸では、二酸化ケイ素系材料層の研磨速度の抑制により、研磨速度を大幅に小さくでき、パターン依存性が極めて小さく、凹部の研磨進行を抑制しながら凸部を優先して研磨することで、少ない研磨量で高平坦化を実現することが可能になる。なお、研磨剤中に塩基性化合物が存在する場合は、グルコン酸および／またはグルコヘプトン酸が塩となっている場合もあり得るが、本発明に係るグルコン酸および／またはグルコヘプトン酸にはこのように塩となったものも含まれる。
【００４０】
ここで、グルコン酸およびグルコヘプトン酸は、それぞれグルコノ−１，５−ラクトンおよびグルコヘプトノ−１，４−ラクトンの加水分解により生成させることが好ましい。これらラクトンを水に溶解すると、加水分解により各々グルコン酸とグルコへプトン酸になる。この加水分解反応は、溶解するラクトンの濃度にもよるが、一般的には、数日で平衡状態になり、酸性の水溶液が得られる。
【００４１】
そのため、本発明では、グルコノ−１，５−ラクトンおよびグルコヘプトノ−１，４−ラクトンからなる群より選ばれる１種以上のラクトンを水に添加し、混合して、本発明に係る研磨剤を得ることが好ましい。ここで、研磨速度抑制の十分な効果を得る点から、上記ラクトンを０．０１〜２０質量％の範囲で、研磨速度、研磨剤スラリーの均一性等を考慮して適宜設定して添加することが好ましい。研磨剤の全質量に対し、上記ラクトンを０．１〜１０質量％の範囲で添加することがより好ましい。被研磨面が二酸化ケイ素層の面である場合、研磨剤の全質量に対し、上記ラクトンを０．０５〜２質量％の範囲で添加することが好ましい。なお、グルコノ−１，５−ラクトンおよびグルコヘプトノ−１，４−ラクトンは加水分解により、それぞれグルコン酸およびグルコヘプトン酸になるものと考えられているが、加水分解反応は平衡反応であるので研磨剤中には通常未反応ラクトンが存在し、また前記の塩以外にその他の形態のものも存在するかもしれない。このような場合、本発明に係る研磨効果が得られる限り、そのような原料ラクトンやその他の形態のものが研磨剤中に存在していても構わない。
【００４２】
本発明に係る水については、特に制限は無いが、他の剤に対する影響、不純物の混入、ｐＨ等の影響から、純水、超純水、イオン交換水等を好ましく使用することができる。
【００４３】
本研磨剤は、酸性のｐＨ領域で使用する。研磨剤の研磨特性と分散安定性を考慮すると、ｐＨ４〜６が好ましい。ｐＨが４未満の場合、分散性が低下する恐れがあり、６を超えた場合は二酸化ケイ素系材料層の研磨速度の抑制効果が低下する恐れがある。
【００４４】
本発明に係る研磨剤には、他の成分を共存させてもよい。代表的なものに分散剤を挙げることができる。分散剤としては、水溶性有機高分子や陰イオン性の界面活性剤が挙げられる。水溶性有機高分子としてはカルボン酸基またはカルボン酸アンモニウム塩基を有するポリマーが好ましい。
【００４５】
本発明の研磨剤（上記方法によって製造された研磨剤を含む）を用いて半導体基板を研磨する場合には、研磨剤を研磨パッドに供給し、半導体デバイスの被研磨面と研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により、二酸化ケイ素系材料層の被研磨面を研磨する。なお、二酸化ケイ素系材料についての条件は、本発明に係る研磨剤に関連して説明したのと同様である。
【００４６】
研磨装置としては、一般的な研磨装置を使用できる。たとえば図２は、本発明の研磨方法に適用可能な研磨装置の一例を示す図である。研磨剤供給配管３５から研磨剤３６を供給しながら、研磨ヘッド３２に半導体基板３１を保持し、研磨定盤３３表面に貼り付けた研磨パッド３４に接触させ、かつ研磨ヘッド３２と研磨定盤３３を回転させ相対運動させる方式である。ただし、本発明に係る研磨装置はこれに限定されない。
【００４７】
研磨ヘッド３２は回転だけでなく直線運動をしてもよい。研磨定盤３３および研磨パッド３４が半導体基板３１と同程度またはそれ以下の大きさであってもよい。その場合は研磨ヘッド３２と研磨定盤３３を相対的に移動させることにより、半導体基板の全面を研磨できるようにすることが好ましい。また研磨定盤３３および研磨パッド３４は回転式でなくてもよく、たとえばベルト式で一方向に移動するものでもよい。
【００４８】
研磨装置の研磨条件には特に制限はないが、研磨ヘッド３２に荷重をかけ研磨パッド３４に押しつけることにより研磨速度を向上できる。このときの研磨圧力は、０．５〜５０ｋＰａ程度が好ましく、研磨速度の半導体基板内均一性、平坦性、スクラッチ等の研磨欠陥防止の観点から、３〜４０ｋＰａ程度が特に好ましい。また研磨定盤、研磨ヘッドの回転数は、５０〜５００ｒｐｍ程度が好ましいが、これらに限定されない。
【００４９】
研磨パッドとしては一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質樹脂、非多孔質樹脂等からなるものが使用できる。また、研磨パッドの表面に、研磨剤の供給を促進させたり、研磨剤が一定量溜まるようにするために、格子状、同心円状、らせん状などの溝加工がなされていてもよい。
【００５０】
このようにして、本発明の研磨剤を使用した研磨により、少量の研磨で、二酸化ケイ素系材料層の被研磨面の凹凸の高平坦化を実現できるようになる。研磨後の表面は非常に平坦であり、残った膜厚を厚くすることも容易にできる。成膜のコスト低減とそのスループットの改善も可能になる。従って、本研磨方法を使用した半導体デバイスの製造においては、その品質を向上でき、コストを低減でき、スループットを改善することができる。本発明は、特に、ＩＬＤ，ＰＭＤおよびＳＴＩを採用する半導体デバイスに好適に使用することができる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明に係る例を説明する。例１〜４が実施例、例５，６が比較例である。実施例において「％」は、特に断らない限り質量％を意味する。また、グルコノ−１，５−ラクトンは水中に投入されるとグルコン酸に変化する。従って、以下における「グルコノ−１，５−ラクトン濃度」は、実際にグルコノ−１，５−ラクトンがその濃度で存在することを意味するものでなく、グルコノ−１，５−ラクトンの添加濃度を意味する。グルコヘプトノ−１，４−ラクトンについても同様である。
【００５２】
特性値は下記の方法により評価した。
【００５３】
（ｐＨ）
横河電機社製のｐＨ８１−１１で測定した。
【００５４】
（砥粒の平均粒径）
レーザー散乱・回折装置（堀場製作所製、商品名：ＬＡ−９２０）を使用して求めた。
【００５５】
（研磨剤の分散安定性）
実施例における「凝集沈殿時間」は、直径１８ｍｍのガラス製試験管に研磨剤を２０ｍＬ入れて静置し、二層に分離し上澄みができるまでの時間として求めた。
【００５６】
（研磨特性）
（１）研磨条件
研磨は以下の装置および条件で行った。
【００５７】
研磨機：全自動ＣＭＰ装置ＭＩＲＲＡ（ＡＰＰＬＩＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ社製）
研磨剤供給速度：２００ｍＬ／分
研磨パッド：２層パッドＩＣ−１４００のＫ−ｇｒｏｏｖｅ（Ｒｏｄｅｌ社製）
研磨パッドのコンディショニング：ＭＥＣ１００−ＰＨ３．５Ｌ（三菱マテリアル社製）
研磨定盤の回転数：７７ｒｐｍ（例１〜例５）
研磨定盤の回転数：９３ｒｐｍ（例６）
研磨ヘッドの回転数：７３ｒｐｍ（例１〜例５）
研磨ヘッドの回転数：８７ｒｐｍ（例６）
研磨圧：２７．６ｋＰａ（例１〜例４、例５ｂ）
研磨圧：１３．８ｋＰａ（例５ａ）
研磨圧：２０．７ｋＰａ（例６）
（２）評価
研磨速度の測定：膜厚計ＵＶ−１２８０ＳＥ（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）を使用。
【００５８】
表面段差の測定：プロファイラーＨＲＰ−１００（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）を使用。
【００５９】
（３）被研磨物
次の被研磨物を使用した。
【００６０】
（３−１）
例１〜３，５，６の研磨剤について、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＳＥＭＡＴＥＣＨ社製のホウ素とリンの濃度がそれぞれ３．５２％、３．８５％のＢＰＳＧ膜（１μｍ厚）でシリコン面を全面被覆したブランケットウエハを使用した。ブランケットウエハの模式的側断面図を図４に示す。
【００６１】
（３−２）パターン付きウエハ
例１〜６の研磨剤について、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＳＥＭＡＴＥＣＨ社製のＳＴＩ８６４ＣＭＰ０００のＢＰＳＧ膜（ホウ素が３．５２％、リンが３．８５％）（１μｍ厚）でパターン幅が１０〜５０μｍ、パターン間隔が１００μｍのストライプパターンの溝を有するシリコン面を全面被覆したパターン付きウエハを使用した。このパターンはＳＴＩの模擬的なパターンである。このパターン付きウエハの模式的側断面図を図５に示す。符号５１がシリコンウエハの溝を表す。
【００６２】
なお、例１〜６において使用したパターン付きウエハ表面の段差すなわちパターン溝深さ（図５のＬに相当）はすべて３５０ｎｍであったが、本発明はこの数値に限定されるものではない。
【００６３】
（４）研磨剤の特性評価方法
ブランケットウエハについては６０秒研磨し、研磨前後の膜厚差を研磨速度とした。
【００６４】
パターン付きウエハについては、一つのチップ内における、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％のデンシティパターンにおける凸部膜厚と凹部膜厚のデータを、各デンシティパターンの中央部について１点ずつ研磨前後に測定し、これらを各デンシティにおける値として評価を行った。凸部の膜厚のばらつきは、研磨後における各デンシティパターンの凸部の膜厚の最大値と最小値の差である。凹部の最大研磨量は、研磨前後における各デンシティパターンの凹部の膜厚差の最大値である。最大段差は、研磨後における１０％、２０％、３０％、４０％、５０％の全てのデンシティパターンにおける凸部と凹部の段差（膜厚差）のうち最も大きい値である。
【００６５】
なお、デンシティの数値は、ストライプパターンを有するウエハをその面に直行する方向から見た場合、凸部のパターン幅と凹部のパターン幅との合計に対する凸部のパターン幅の割合を意味する。たとえば１０％の場合、凸部の幅が１０μｍ、凹部の幅が９０μｍのストライプパターンがパターン間隔１００μｍで連続して並んでいる状態である（図５参照）。
【００６６】
［例１］
酸化セリウム砥粒と分子量５０００のポリアクリル酸アンモニウム（分散剤）とを質量比で１００：０．７となるようにして脱イオン水中で撹拌しながら混合し、超音波分散、フィルタリングを施して、砥粒の濃度が１０％、ポリアクリル酸アンモニウム濃度が０．０７％の混合液を作製した。この混合液を脱イオン水で１２．５倍に希釈し、砥粒濃度０．８％、ポリアクリル酸アンモニウム濃度０．００５６％の砥粒混合液Ａを作製し、また、２０倍に希釈し、砥粒濃度０．５％、ポリアクリル酸アンモニウム濃度０．００３５％の砥粒混合液Ｂを作製した。砥粒混合液Ａと砥粒混合液ＢのｐＨは７．６であり、平均粒径は０．１９μｍあった。
【００６７】
次に脱イオン水中に、分子量５０００のポリアクリル酸アンモニウムとグルコノ−１，５−ラクトンを溶解させ、ポリアクリル酸アンモニウムが濃度０．６８％、グルコノ−１，５−ラクトンが１．０％の添加剤液Ｃを作製した。この添加剤液Ｃと砥粒混合液Ｂとを、質量比１：１で、撹拌しながら混合することにより、砥粒濃度０．２５％、砥粒混合液Ａから加えられたポリアクリル酸アンモニウム濃度０．００１７５％、添加剤液Ｃから加えられたポリアクリル酸アンモニウム０．３４％、グルコノ−１，５−ラクトン濃度０．５％、ｐＨが４．８の研磨剤を作製した。
【００６８】
［例２］
グルコノ−１，５−ラクトンの濃度が１．３％になるようにした以外は添加剤液Ｃの作製と同様にして添加剤液Ｄを作製した。この添加剤液Ｄと例１で作製した砥粒混合液Ａとを、質量比１：１で撹拌しながら混合することにより、砥粒濃度０．４％、砥粒混合液Ａから加えられたポリアクリル酸アンモニウムの濃度０．００２８％、添加剤液Ｄから加えられたポリアクリル酸アンモニウム０．３４％、グルコノ−１，５−ラクトン濃度０．６５％、ｐＨが４．９の研磨剤を作製した。
【００６９】
［例３］
グルコノ−１，５−ラクトンの代わりにグルコヘプトノ−１，４−ラクトンを用い、その濃度を１．５％になるようにした以外は添加剤液Ｃの作製と同様にして添加剤液Ｅを作製した。この添加剤液Ｅと例１で作製した砥粒混合液Ｂとを、質量比１：１で撹拌しながら混合することにより、砥粒濃度０．２５％、砥粒混合液Ｂから加えられたポリアクリル酸アンモニウムの濃度０．００１７５％、添加剤液Ｅから加えられたポリアクリル酸アンモニウム０．３４％、グルコヘプトノ−１，４−ラクトン濃度０．７５％、ｐＨが４．８の研磨剤を作製した。
【００７０】
［例４］
グルコヘプトノ−１，４−ラクトンの濃度が１．３％になるようにした以外は添加剤液Ｅの作製と同様にして添加剤液Ｆを作製した。この添加剤液Ｆと例１で作製した砥粒混合液Ａとを、質量比１：１で撹拌しながら混合することにより、砥粒濃度０．４％、砥粒混合液Ａから加えられたポリアクリル酸アンモニウムの濃度０．００２８％、添加剤液Ｆから加えられたポリアクリル酸アンモニウム０．３４％、グルコヘプトノ−１，４−ラクトン濃度０．６５％、ｐＨが４．９の研磨剤を作製した。
【００７１】
［例５］
比較例として、脱イオン水中にｐＨ調整を行うための硝酸水溶液と、分子量５０００のポリアクリル酸アンモニウムとを加え、硝酸濃度が０．２９２％、ポリアクリル酸アンモニウム濃度が０．６８％の添加剤液Ｇを作製した。この添加剤液Ｇと例１で作製した砥粒混合液Ｂとを、質量比１：１で撹拌しながら混合することにより、砥粒濃度０．２５％、砥粒混合液Ｂから加えられたポリアクリル酸アンモニウムの濃度０．００１７５％、添加剤液Ｇから加えられたポリアクリル酸アンモニウム０．３４％、硝酸濃度０．１４６％、ｐＨ４．８の研磨剤を作製した。
【００７２】
［例６］
比較例としてヒュームドシリカと水と水酸化カリウムとを含むＣａｂｏｔ社製のＳＳ−２５を水と体積比で１：１になるようにして混合し研磨剤を作製した。
【００７３】
上記各例について、研磨剤の組成、ｐＨ、砥粒の平均粒径および研磨剤の凝集沈殿時間を表１に、研磨特性の評価結果を表２に示す。例４の研磨剤については、ＢＰＳＧ膜のパターン付きウエハのみについて評価し、それ以外の研磨剤については、ＢＰＳＧ膜のブランケットウエハとパターン付きウエハについて評価した。
【００７４】
例１〜例５については、それぞれ、砥粒混合液Ａも砥粒混合液Ｂも研磨剤も砥粒の平均粒径は０．１９μｍであった。すなわち、添加剤液Ｃ〜Ｇとの混合により、砥粒の凝集が進むことは無かった。これらの研磨剤を静置して分散安定性を評価したところ、１週間以上経過しても凝集沈殿が生じず分散が維持された。これらの分散状態は添加剤液を加えていない砥粒混合液Ａ、砥粒混合液Ｂと同程度であり、上記の分散安定性評価により、１０日間静置しても上澄み層が現れず、分散性は非常に良好であった。
【００７５】
また、上記の例で作製した後、４８時間放置した研磨剤を用いて研磨特性を評価した結果、例１〜３、例５、例６の各研磨剤のブランケットウエハの研磨特性では、ＢＰＳＧ膜に対する研磨速度が、例１の研磨剤では４０ｎｍ／分、例２の研磨剤では１３ｎｍ／分、例３の研磨剤では１２ｎｍ／分、例５の研磨剤では、条件ａ（研磨圧力１３．８ｋＰａ）で２０３ｎｍ／分、条件ｂ（研磨圧力２７．６ｋＰａ）で５７２ｎｍ／分、例６の研磨剤では、５４２ｎｍ／分であった。
【００７６】
また、パターン付ウエハについては、例１の研磨剤では、研磨時間が１８０秒で、凸部の膜厚のばらつきは１２ｎｍ、凹部の最大研磨量は９５ｎｍ、最大段差は３１ｎｍであった。例２の研磨剤では、パターン付ウエハの研磨時間が１８０秒で、凸部の膜厚のばらつきは１３ｎｍ、凹部の最大研磨量は７８ｎｍ、最大段差は２８ｎｍであった。例３の研磨剤では、パターン付ウエハの研磨時間が１８０秒で、凸部の膜厚のばらつきは１３ｎｍ、凹部の最大研磨量は７１ｎｍ、最大段差は３０ｎｍであった。例４の研磨剤では、パターン付ウエハの研磨時間が１８０秒で、凸部の膜厚のばらつきは１５ｎｍ、凹部の最大研磨量は９８ｎｍ、最大段差は３０ｎｍであった。例５の研磨剤の場合には、研磨圧力１３．８ｋＰａでは、パターン付ウエハの研磨時間が１８０秒で、凸部の膜厚のばらつきは６６ｎｍ、凹部の最大研磨量は５１０ｎｍ、最大段差は７２ｎｍで、研磨圧力２７．６ｋＰａでは、研磨時間が７５秒で、凸部の膜厚のばらつきは８０ｎｍ、凹部の最大研磨量は５１２ｎｍ、最大段差は９７ｎｍであった。例６の研磨剤では、パターン付ウエハの研磨時間が７０秒で、凸部の膜厚のばらつきは８１ｎｍ、凹部の最大研磨量は５５０ｎｍ、最大段差は９６ｎｍであった。
【００７７】
上記のブランケットウエハの研磨特性の結果から、本発明の実施例である例１〜４の研磨剤は、比較例の例５，６の研磨剤と比較して、ＢＰＳＧ膜の研磨速度が充分に抑えられていることが理解できる。また、パターン付ウエハの研磨特性の結果から、比較例の例５，６の研磨剤では、最大段差と凸部のばらつきが非常に大きくかつ凹部の研磨量が過剰に多いのに対して、本発明の実施例である例１〜４の研磨剤では、最大段差と凸部のばらつきが小さく、かつ凹部の研磨量が非常に少ないことが理解できる。
【００７８】
【表１】
2007073596.tif 000002
【００７９】
【表２】
2007073596.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ＩＬＤ，ＳＴＩおよびＰＭＤを採用する半導体デバイスに好適に使用することができる。特に二酸化ケイ素系材料層が、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）層、ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）層またはリンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）層である場合にその効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の研磨剤により半導体デバイスを研磨する際の半導体デバイスの模式的な側断面図。
【図２】本発明の研磨方法に適用可能な研磨装置の一例を示す図。
【図３】従来の研磨剤により半導体デバイスを研磨する際の半導体デバイスの模式的な側断面図。
【図４】ブランケットウエハの模式的側断面図。
【図５】パターン付ウエハの模式的側断面図。
【符号の説明】
【００８２】
１    シリコン基板
２    二酸化ケイ素膜
３    ポリシリコン膜
４    ＢＰＳＧ膜
５    凸部
６    凹部
７  研磨後の表面
３１  半導体デバイス
３２  研磨ヘッド
３３  研磨定盤
３４  研磨パッド
３５  研磨剤供給配管
３６  研磨剤
５１  シリコンウエハの溝
【図１】
2007073596.tif 000004
【図２】
2007073596.tif 000005
【図３】
2007073596.tif 000006
【図４】
2007073596.tif 000007
【図５】
2007073596.tif 000008